隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高強(qiáng)度、高硬度的工程材料越來越多地被采用，這給高效切削加工帶來了很大的困難。與硬質(zhì)合金刀具相比，陶瓷刀具因其更優(yōu)良的耐熱耐磨性、高紅硬性等特點(diǎn)，在現(xiàn)代切削加工中扮演著越來越重要的角色。
然而目前國內(nèi)陶瓷刀具的發(fā)展究竟處于什么樣的階段，我們對陶瓷刀具未來的發(fā)展又應(yīng)該做些什么，帶著這樣的疑問，我們采訪了清華紫光方大高技術(shù)陶瓷有限公司(以下簡稱“紫光方大”)副總工程師仇啟源。他致力于陶瓷刀具研究已有幾十年，在向我們說起國內(nèi)陶瓷刀具的發(fā)展歷程時(shí)他如數(shù)家珍，言談之中又不失風(fēng)趣。
陶瓷刀具的發(fā)展概況
目前國內(nèi)市場上陶瓷刀具主要有兩大類：氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。仇啟源介紹道：“氧化鋁基陶瓷刀具發(fā)展比較早，經(jīng)過幾十年的性能改進(jìn)和提高，硬度、強(qiáng)度、抗彎性能等都得到了加強(qiáng)；氮化硅基陶瓷刀具則是新一代的陶瓷刀具，具有更強(qiáng)的耐磨性、紅硬性、斷裂韌性和抗熱沖擊性，但由于其加工鋼件時(shí)易擴(kuò)散或產(chǎn)生化學(xué)磨損，現(xiàn)在一般只用于鑄鐵件的粗加工。”
對于今后的陶瓷刀具將如何在高速切削領(lǐng)域發(fā)揮其作用，他進(jìn)一步解釋道：“目前國外陶瓷刀具主要向精加工的方向發(fā)展，隨著毛坯質(zhì)量提高，加工余量減少，使用陶瓷刀具可一次完成精加工；我國陶瓷刀具的發(fā)展主要是向解決難加工材料的方向發(fā)展，利用它完成高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具等無法解決的加工難題。”
與別的刀具材料相比，陶瓷刀具最顯著的缺點(diǎn)就是斷裂韌性不足。作為評價(jià)其抗破損能力的重要指標(biāo)之一，陶瓷刀具需要通過適當(dāng)手段提高其硬度、抗彎強(qiáng)度及斷裂韌性，而在進(jìn)行銑、刨、鏜削及其他斷續(xù)加工時(shí)，刀片材料的斷裂韌性更為重要。目前國內(nèi)陶瓷刀具生產(chǎn)企業(yè)所采用的主要途徑是通過向陶瓷材料中添加ZrO2、TiC、SiC晶須及某些金屬等手段增韌，提高刀片的抗沖擊能力。
我國陶瓷刀具發(fā)展很早，從20世紀(jì)50年代起便已經(jīng)開始。仇啟源說：“1958年大躍進(jìn)時(shí)期，那時(shí)候我國還沒有正規(guī)生產(chǎn)陶瓷刀具的工廠，一些工人便到山里選用所謂‘石頭刀具’(即天然陶瓷刀具)，這種石頭刀具最大的缺陷是質(zhì)量不穩(wěn)定，所以一直沒有推廣起來，而且石頭刀具自身硬而脆，加工十分困難。直到新一代合成陶瓷刀具材料出現(xiàn)以后，加上金剛石砂輪在磨削方面的廣泛應(yīng)用，才使陶瓷刀具產(chǎn)業(yè)真正發(fā)展起來。”
目前我國刀具市場上的陶瓷刀具絕對數(shù)量比較少，僅占1%～3%左右，但在軋輥、碴漿泵、礦山機(jī)械、軸承、汽車等領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。
在寶鋼和瓦軸提出的軋輥和軸承加工“以車代磨”課題中，紫光方大為其做了一系列刀具材料性能、切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)對比，最終使用陶瓷刀具切削淬硬鋼件及精密鑄件，大大降低了生產(chǎn)成本，現(xiàn)在還在這些企業(yè)中廣泛應(yīng)用；汽車工業(yè)中也不斷采用許多難切削工程材料，以提高零部件性能，如含硼、鈮等稀土元素的合金鑄鐵及某些粉末冶金零件或鋼鐵合金等，在某廠的缸套加工中，采用國產(chǎn)陶瓷刀具替代硬質(zhì)合金刀具后，切削速度由62m/min提高到332m/min，使生產(chǎn)效率提高了5倍，刀具耐用度也增加了5倍。
用戶企業(yè)的幾個(gè)誤區(qū)
仇啟源始終認(rèn)為每種刀具材料都有其適用的范圍，新刀具材料的出現(xiàn)并不能完全取代舊材料的應(yīng)用，很多舊的刀具材料仍然在不斷向前發(fā)展，比如高速鋼已發(fā)展至如今的粉末冶金高速鋼。他說：“陶瓷刀的種類、牌號(hào)多種多樣，選用時(shí)需依照加工的機(jī)床、待加工件的具體情況來確定陶瓷刀具的幾何參數(shù)和加工參數(shù)，生產(chǎn)中出現(xiàn)新的問題，便需要通過實(shí)驗(yàn)來調(diào)整確定新的刀具，使用不當(dāng)，用戶企業(yè)便容易陷入一些誤區(qū)。”
第一，由于國際上的CBN技術(shù)發(fā)展很快，其切削硬度值也高于陶瓷刀具，許多用戶企業(yè)便習(xí)慣認(rèn)為CBN刀具可以適用于各種加工領(lǐng)域。“事實(shí)上，在高硬度材料的高速加工中，CBN刀具使用效果很好，但在切削硬度為HRC50以下的鋼件時(shí)，CBN刀具因其在加工中不能使工件軟化，加工效果、耐磨性等反不如陶瓷刀具，而且陶瓷刀具的使用成本僅為CBN刀具的1/5～1/10。”國內(nèi)齒輪、軍工等行業(yè)內(nèi)的許多工件目前都處于這個(gè)加工硬度范圍內(nèi)，在這些領(lǐng)域，使用陶瓷刀具可以一次完成精加工，生產(chǎn)效率可大大提高。
第二，用戶企業(yè)往往認(rèn)為國外刀具公司生產(chǎn)的典型陶瓷刀具會(huì)普遍適用于各種加工領(lǐng)域，實(shí)際上在某些特定的加工領(lǐng)域并不一定適用。上海某廠在一個(gè)淬火鋼件的加工中，原來使用的是某世界著名刀具企業(yè)生產(chǎn)的陶瓷刀片CC650，這是上世紀(jì)70年代便已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)的刀具型號(hào)，在世界范圍內(nèi)一度被認(rèn)為是最好的加工淬火鋼的氧化鋁系陶瓷刀具，而切削現(xiàn)場的結(jié)果對比顯示，國產(chǎn)的新一代FD22型號(hào)陶瓷刀在加工工件數(shù)量及已加工表面質(zhì)量等方面都優(yōu)于CC650，而且價(jià)格也相對便宜，現(xiàn)在已被該廠大量選用，每月消耗量達(dá)1000多片。
第三，一般陶瓷刀具切削普通正火鋼的切削速度都是200～300m/min，但一些企業(yè)在使用陶瓷刀具時(shí)，認(rèn)為采用較低的切削速度，可以延長刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。事實(shí)上，采用較低的切削速度會(huì)大大降低生產(chǎn)效率。研究表明，在產(chǎn)品的生產(chǎn)成本中，刀具所占份額很低，其消耗成本僅占總成本的4％～5％，但對先進(jìn)刀具的選用，卻能夠大幅度降低機(jī)床費(fèi)用，帶來的成本收益則遠(yuǎn)大于刀具的消耗。切削速度、走刀量選擇不合適，都會(huì)影響陶瓷刀具效率的充分發(fā)揮。
另外，為更好利用陶瓷刀片資源，正確選用金剛石砂輪對陶瓷刀具進(jìn)行重磨也是十分重要的。
陶瓷刀具市場亟待規(guī)范
也許正是因?yàn)樘沾傻毒叩纳a(chǎn)過程比較簡單，所需設(shè)備、技術(shù)要求都不太高，而且國內(nèi)軍工等許多行業(yè)的產(chǎn)品需求旺盛，一時(shí)間國內(nèi)曾涌現(xiàn)出很多的陶瓷刀具生產(chǎn)企業(yè)。
“但真正能夠批量、穩(wěn)定生產(chǎn)的企業(yè)卻很少，由于缺乏必要的產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣能力，他們平均壽命一般都只有3～5年。”仇啟源感慨道，“山東某冶金局曾一度紅紅火火地進(jìn)行陶瓷刀具的生產(chǎn)，投資也頗有規(guī)模，但在相關(guān)組織者離任之后，由于反對的聲音很強(qiáng)烈，這項(xiàng)計(jì)劃便流產(chǎn)了，十分可惜。”在生產(chǎn)企業(yè)停止陶瓷刀具生產(chǎn)后，除了給本企業(yè)造成生產(chǎn)設(shè)備和資源的浪費(fèi)外，還會(huì)給應(yīng)用陶瓷刀具的企業(yè)帶來另一個(gè)問題，他們經(jīng)過較長時(shí)間的使用，已經(jīng)適應(yīng)了這些陶瓷刀具的應(yīng)用，而今后也只能另尋解決途徑，這都將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。
目前，刀具材料的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化也還存在著很大脫節(jié)，國內(nèi)某些院校的類似科研課題還只是停留在試驗(yàn)階段。仇啟源不無焦慮地說：“很多高校的碩士生、博士生的研究課題就是通過對刀具材料作一些配比，添加或減少某些成分，便研制出若干新的刀具牌號(hào)，但鮮有能進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域大量應(yīng)用的。這樣缺乏生產(chǎn)考核環(huán)節(jié)的研發(fā)，不僅是對人力、物力資源的極大浪費(fèi)，而且也滋生了通過這種手段獲取學(xué)位、職稱的現(xiàn)象。”說到這里，他頗為自豪地向記者介紹：“目前由原國家計(jì)委2001年審批的全國惟一的《陶瓷刀具及氮化物制品產(chǎn)業(yè)化示范工程》項(xiàng)目??屬國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程，經(jīng)過5年多的努力，最近已在我公司通過了專家驗(yàn)收。”的確，一旦脫離了產(chǎn)業(yè)化和大量生產(chǎn)應(yīng)用的需求，這些刀具研發(fā)投入就沒有了意義。
正如仇啟源所說，目前國內(nèi)能夠批量穩(wěn)定生產(chǎn)陶瓷刀具的廠家只有清華紫光方大等少數(shù)幾家，另外一些硬質(zhì)合金工具公司如株鉆、自貢等的相關(guān)部門也進(jìn)行小批量的生產(chǎn)。
陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咚偾邢鞯毒�，在生產(chǎn)中有美好的應(yīng)用前景，已引起世界各國的重視。目前，德國陶瓷刀具的年消耗量占刀具總量的10％，日本的年消耗量也占總量的8％～9％。近幾年來，中國陶瓷刀具的發(fā)展也十分迅速，品種增加，性能提高。可以預(yù)料，隨著高速切削、干式切削和硬切削應(yīng)用的增多，今后必將促進(jìn)陶瓷刀具的發(fā)展與使用。
